Elewacje Veture jako rozwiązanie ocieplenia na istniejącej warstwie ocieplenia – symulacje obliczeniowe

Prefabrykaty Veture mocowane są do warstw konstrukcyjnych za pomocą zakotwień mechanicznych zapewniających skuteczne kotwienie bloków z warstwami izolacyjnymi, dostosowanymi do współczesnych wymagań ochrony cieplnej.

Metody montażu Veture

Fasady Veture są dobierane w oparciu o dostępny asortyment systemów elewacyjnych. Cechami charakterystycznymi dla poszczególnych rozwiązań systemowych są różne rodzaje materiałów składowych (warstw okładzinowych i warstw izolacyjnych) oraz systemowe rozwiązania techniki ich montażu.

Elewacje Veture montowane są z gotowych prefabrykatów, składających się z warstw okładzinowej i termoizolacyjnej oraz akcesoriów montażowych, takich jak łączniki lub klej. W rozwiązaniach systemowych Veture mogą występować także listwy montażowe, konsole nośne i inne elementy pozwalające na łatwy montaż bloków przy zachowaniu stałych płaszczyzn elewacji. Przykładowe elementy składowe fasady Veture zostały przedstawione na RYS. 1 [1–2].

Elewacje Veture dzieli się w zależności od rodzaju zastosowanej okładziny elewacyjnej, sposobu montażu oraz materiału, z jakiego są wykonane. W wytycznych Europejskiej Organizacji ds. Oceny Technicznej (EAD 040914-00-0404) do wykonania okładzin ścian zewnętrznych z zestawów Veture, przedstawiono cztery typy elewacji, które podzielono ze względu na sposób łączenia okładziny elewacyjnej z konstrukcją ściany budynku. Na RYS. 2–5 przedstawiono schematyczne przekroje najczęściej stosowanych systemów Veture w zależności od sposobu montażu okładziny elewacyjnej według EAD [1–2].

Na RYS. 2 przedstawiono fragment elewacji mocowany przy użyciu przelotowych łączników mechanicznych i kleju (łączniki są schowane pod okładziną).

Typ 2 (RYS. 3) obrazuje system mocowania za pośrednictwem specjalnych listew umieszczonych w termoizolacji oraz łączników mechanicznych, które przechodzą przez warstwę izolacji termicznej. Listwy nie stykają się ze ścianą, co zapobiega tworzeniu się mostków termicznych. Ich zadaniem jest umożliwienie montażu sąsiednich bloków Veture w jednej linii oraz uszczelnienie poziomych połączeń między blokami.

W fasadach typu 3 (RYS. 4) montaż odbywa się przy użyciu przelotowych łączników mechanicznych i kleju.

Bloki elewacyjne typu 4 (RYS. 5) można mocować za pośrednictwem listew (w celu realizacji montażu sąsiednich bloków Veture w jednej linii) lub punktowo zlokalizowanych konsoli i kleju. Do uszczelnienia poziomych połączeń między blokami stosuje się specjalne profile wykonane z materiałów o niskiej przewodności cieplnej [1–2].

Znaczna część dopuszczonych do stosowania rozwiązań systemowych Veture jako podłoże zaleca wstępną warstwę termoizolacji zamontowaną na podłożu konstrukcyjnym, dlatego w przypadku konieczności poprawy izolacyjności ścian zewnętrznych fasady Veture mogą stanowić wierzchnią warstwę elewacyjną [1–2].

Analiza statyczna i termiczna płyty Veture

W typowych przypadkach projektowych elewacje Veture są dobierane na podstawie parametrów wytrzymałościowych konkretnych rozwiązań systemowych podawanych przez producentów określonych na podstawie badań zgodnych z EAD oraz na podstawie odpowiednich obliczeń z zakresu fizyki cieplnej przegród. W celu weryfikacji możliwości zastosowania elewacji Veture w polskich warunkach klimatycznych zamodelowano pracę statyczną przyjętego koncepcyjnego kształtu bloku Veture zgodnego z rozwiązaniem pokazanym na RYS. 1.

Do analiz została zamodelowana koncepcyjna płyta Veture o wymiarach 600×1200 mm i grubości 67 mm. Zaprojektowana prefabrykowana płyta składa się z warstwy okładzinowej wykonanej z ceramiki o grubości 4 mm oraz warstwy izolacyjnej EPS 100 o grubości 60 mm. Obie warstwy zostały trwale zespolone za pomocą kleju elastycznego (grubość 3 mm). Jako podłoże dla koncepcyjnego bloku Veture zamodelowano warstwę płyt XPS 300, która spełnia funkcję wstępnej izolacji termicznej dla przegrody.

Koncepcyjna płyta została zamocowana do podłoża nośnego pięcioma przelotowymi kołkami ramowymi z stalowym (S235 FeZn) trzpieniem w koszulce z tworzywa poliamidowego.

Do wyznaczenia wartości oddziaływania wiatrem konieczne było przyjęcie stosownych założeń. Lokalizacja została przyjęta w strefie I obciążenia wiatrem na wysokości poniżej 300 m n.p.m. i III kategorii terenu. Przyjęto obciążenia jak dla budynku o wysokości 9 m nad poziomem terenu.

Dla tak skonstruowanych założeń, zgodnie z Eurokodem 1, zostały wyliczone wartości ssania i parcia wiatrem. W obliczeniach zostały rozpatrzone dwie kombinacje obciążenia: ciężarem własnym wraz ze ssaniem lub parciem wiatru (obciążenia charakterystyczne dla stanu granicznego użytkowania oraz obciążenia obliczeniowe dla stanu granicznego nośności).

Dane materiałowe oraz założenia obciążeniowe użyte do analiz obliczeniowych zostały opisane w TABELACH 1–3.

Do celów analizy przedmiotowego zagadnienia wykonano trójwymiarowy model MES. Modelowanie oraz obliczenia przeprowadzono w programie Dlubal RFEM 5.24.

Na RYS. 6–10 przedstawiono widok aksonometryczny modelu w różnych jego aspektach.

Aby poprawnie odzwierciedlić rzeczywiste zachowanie płyty elewacyjnej, zamodelowano płytę elewacyjną wraz z okładziną, podłoże płyty elewacyjnej, otoczenie płyty elewacyjnej i elementy kotwiące (kołki).

Przedmiotowa płyta elewacyjna została zaprojektowana jako gotowy prefabrykat dostarczany na budowę z przyklejoną okładziną. Poszczególne elementy płyty cechują się znacznymi wzajemnymi różnicami grubości oraz parametrów mechanicznych.

Aby wiernie odzwierciedlić statykę prefabrykatu, sporządzono model hybrydowy – złożony z różnych typów elementów. Okładzina ceramiczna (klinkierowa) grubości 4 mm (szerokość×wysokość = 600×1200 mm) – została zamodelowana jako element płytowy (podczas modelowania uwzględniono przylgi z lewej strony oraz na spodzie prefabrykatu o szerokości 50 mm).

Klej łączący płytę z okładziną grubości ~3 mm – został zamodelowany jako element bryłowy, znajdujący się pod okładziną płyty.

Rdzeń płyty ze styropianu EPS (szerokość×wysokość×grubość = 600×1200×60 mm) – również został zamodelowany jako element bryłowy.

Podczas modelowania przyjęto, że w warstwie kleju znajdują się „talerzyki” zakotwień, które nie mają mechanicznego połączenia z okładziną płyty – nie przenoszą obciążeń na okładzinę, nie zwiększają (przez wzrost grubości) sztywności okładziny w miejscach zakotwień. Talerzyki zakotwień są fizycznie połączone z rdzeniem EPS – są efektywne w trakcie ssania wiatru, nie są efektywne podczas parcia wiatru.

Elementy kotwiące (trzpienie kołków) dokładanej elewacji nie mają fizycznego styku z bryłą rdzenia EPS (w modelu założono montaż kołków w „rozkalibrowanym” otworze – brak bezpośredniej interakcji trzpienia kołka z rdzeniem EPS).

Bryły rdzenia EPS nie mają ze sobą fizycznego styku na powierzchniach bocznych – powierzchnie boczne brył rdzenia EPS nie przenoszą żadnych obciążeń na elementy sąsiednie – w modelu zostało to zrealizowane przez pozostawienie szczeliny 2 mm pomiędzy prefabrykatami.

Wzajemna współpraca prefabrykatów odbywa się przez klejenie przylg do elementów sąsiednich.

Jako podłoże płyty elewacyjnej zamodelowano element bryłowy ze styropianu XPS (szerokość×wysokość×grubość = 600×1200×135 mm). Na dolnej (przylegającej do muru) powierzchni bryły zamodelowano podporę powierzchniową przenoszącą wszystkie typy obciążeń (rozciąganie, ściskanie oraz ścinanie w płaszczyźnie podpory). Tak podparta bryła ma odzwierciedlać istniejącą elewację stanowiącą podłoże dla dokładanej płyty Veture.

Na górnej powierzchni płyt XPS (płaszczyzna styku z dokładaną elewacją) zamodelowano przejściową strefę kontaktową za pomocą elementu bryłowego niewielkiej grubości (5 mm).

Właściwości bryły kontaktowej dobrano tak, aby zapewniała ona przenoszenie naprężeń ściskających podczas parcia wiatru, ulegała zniszczeniu przy występowaniu naprężeń rozciągających podczas ssania wiatru i aby następowała utrata nośności na ścinanie (poślizg styku) po przekroczeniu określonej wartości naprężenia ścinającego (tmax = 0,001 kN/m²).

Podczas modelowania podłoża przyjęto także, że bryły podłoża nie mają ze sobą fizycznego styku na powierzchniach bocznych – powierzchnie boczne brył podłoża nie przenoszą żadnych obciążeń na elementy sąsiednie, w modelu zostało to zrealizowane przez pozostawienie szczeliny 2 mm pomiędzy bryłami.

Elementy kotwiące (trzpienie kołków) dokładanej elewacji nie mają fizycznego styku z bryłą podłoża (w modelu założono montaż kołków w „rozkalibrowanym” otworze – brak bezpośredniej interakcji trzpienia kołka z bryłą podłoża).

Aby ukazać rzeczywisty mechanizm pracy prefabrykatu w styku z elementami sąsiednimi, zamodelowano jego otoczenie (elementy dochodzące) przy założeniach identycznych jak dla samego prefabrykatu oraz podłoża XPS. Otoczenie prefabrykatu zamodelowano w postaci pasma szerokości ~300 mm dochodzącego do płyty elewacyjnej na krawędziach z przylgami.

Zaprojektowany prefabrykat Veture jest kotwiony do podłoża nośnego (ściany) za pomocą łączników mechanicznych (kołków stalowych z talerzykami). Do odwzorowania łączników w modelu zastosowano elementy prętowe (trzpień kołka) oraz płytowe (talerzyk).

Przyjęto, że trzpień kołka zostanie wykonany ze stali S235 o średnicy ∅ 5 mm, natomiast talerzyk kołka zostanie wykonany z poliamidu PA6. Zakotwienie zaprojektowano jako talerzyk o średnicy 40 mm i grubości 4 mm, sztywno połączony z trzpieniem. W modelu pominięto poliamidową „koszulkę” kołka.

W celu uzyskania dokładnych wyników, przy jednoczesnym ograniczeniu ilości elementów skończonych ES, przyjęto podstawowy rozmiar siatki ES 50 mm, zastosowano kwadratowe oraz trójkątne ES, zastosowano dodatkowe dogęszczenia siatki ES w miejscach zmiany sztywności, na styku materiałów o różnych właściwościach mechanicznych oraz w strefach podpór nieliniowych.

Wyniki obliczeń pokazano na mapach naprężeń zredukowanych Hubera Misesa na RYS. 11–12.

Wszystkie wartości naprężeń, w TABELI 4, zostały odczytane 5 mm od podpory, aby uniknąć koncentracji naprężeń w punktach mocowania i otrzymać miarodajne wyniki obliczeń. Wyniki obliczeń zostały zestawione wTABELI 4.

Osobno na RYS. 13–14 oraz w TABELI 5 przedstawiono wyniki analizy kołków montażowych, a w TABELI 6 zestawienie obciążeń zastosowanych w analizie termicznej [6–10].

Ze względów użytkowych, ważnym obciążeniem bloków Veture są obciążenia termiczne. Ze względu na to, że bloki Veture składają się z dwóch warstw – izolacji termicznej oraz okładziny – różnica temperatury pomiędzy warstwą zewnętrzną a wewnętrzną może skutkować występowaniem naprężeń termicznych i sił wewnętrznych. Prefabrykowane elementy, przez różnice temperatur ich powierzchni, mogą podlegać znacznym deformacjom, dlatego producenci w ramach badań dopuszczających są zobowiązani do obrotu zweryfikować wpływ temperatury na odkształcenia oferowanych prefabrykatów.

W celu weryfikacji analizowanej koncepcji płytę zamodelowano jako laminat (element warstwowy). Model został wygenerowany przy użyciu modułu dodatkowego RF LAMINATE. Moduł ten służy do przeprowadzania analizy przemieszczeń (odkształceń globalnych) oraz rozkładu naprężeń w przekroju laminatu. W przypadku modelu laminarnego nie ma konieczności modelowania podłoża prefabrykatu, czyli dodatkowej izolacji termicznej w postaci płyty XPS. Wynika to z faktu, że im podłoże jest bardziej podatne, tym większa jest swoboda odkształceń (występują większe przemieszczenia). W związku z powyższym w analizie pominięto wpływ podłoża (RYS. 15).

Podpory płyty zostały zamodelowane jako liniowe oraz punktowe. Na krawędzi górnej i prawej zamodelowano punktowe podpory nieprzesuwne odzwierciedlające przelotowe kołki ramowe.

Analizie poddano płytę w trzech odmiennych kolorystykach warstwy okładzinowej. Wynika to z faktu, że wartość temperatury powierzchni zewnętrznej okładziny zmienia się w okresie letnim w zależności od dobranej grupy kolorystycznej. Rozróżniamy trzy grupy kolorystyczne: bardzo jasne, jasne oraz ciemne. Przynależność do danej grupy definiuje paleta kolorów RAL.

Temperatura na powierzchni wewnętrznej płyty została wyznaczona na podstawie rozkładu temperatur na grubości przegrody [6–7].

Materiały termoizolacyjne produkowane z polistyrenu pod działaniem wysokich temperatur uplastyczniają się. W celu minimalizacji ryzyka ich uszkodzeń kolory okładzin bardzo jasne i jasne zaleca się stosować na wszystkich elewacjach, natomiast okładziny w kolorze ciemnym zaleca się stosować wyłącznie na elewacjach osłoniętych i nienarażonych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Ze względu na ryzyko uplastyczniania płyt EPS w podwyższonej temperaturze, analizy termiczne ograniczono do temperatury +70°C [10]. Wyniki przeprowadzonych obliczeń pokazano na RYS. 16–19.

Wnioski

Analizując wyniki obliczeń prefabrykowanej płyty Veture, można stwierdzić, że naprężenia w jej poszczególnych elementach nie przekraczają wartości dopuszczalnych. W rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych płyty Veture poza mocowaniem mechanicznym są dodatkowo przyklejane do podłoża, dzięki czemu pracują w znacznie lepszych od zakładanych w obliczeniach warunkach podparcia.

Uzyskane odkształcenia termiczne płyty są bezpośrednio zależne od koloru użytej okładziny oraz stopnia nasłonecznienia w okresie letnim. Im ciemniejszy kolor, tym większe wartości odkształceń termicznych w porównaniu z jaśniejszymi odcieniami warstwy fakturowej płyt. W okresie zimowym kolor nie ma większego znaczenia dla statyki płyty.

Przy projektowaniu płyt i doborze koloru okładziny należy zwrócić szczególną uwagę na planowane usytuowanie obiektu, ze względu na ekspozycję budynku na działanie promieni słonecznych.

Dla obiektów znajdujących się na otwartych przestrzeniach i narażonych na bezpośrednie działanie słońca powinno się stosować okładziny w jaśniejszych kolorach, aby ograniczyć stopień nagrzewania się powierzchni elewacji.

Natomiast w przypadku elewacji budynku zlokalizowanych w strefie zacienienia (np. elewacja północna) dopuszcza się stosowanie płyt w ciemniejszych odcieniach.

Ma to szczególne znaczenie ze względu na odkształcenia termoizolacji, która ma tendencje do uplastyczniania się w podwyższonych temperaturach.

W okresie letnim prefabrykat rozszerza się od strony zewnętrznej na skutek różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią zewnętrzną i wewnętrzną bloku Veture. Powoduje to odkształcenie się płyty na zewnątrz (wybrzuszenie się), warstwa wewnętrzna skraca się, natomiast zewnętrzna ulega rozszerzeniu.

W okresie zimowym występuje zjawisko odwrotne – powierzchnia zewnętrzna płyty kurczy się na skutek różnicy temperatur pomiędzy licem zewnętrznym i wewnętrznym prefabrykatu. Następuje wygięcie bloku Veture do wnętrza elewacji (warstwa wewnętrzna ulega rozszerzeniu, natomiast zewnętrzna skróceniu).

Ze względu na odkształcenia termiczne bloków Veture szczególnie dokładnie należy analizować i projektować szerokość spoin pomiędzy sąsiadującymi prefabrykatami. Dla zachowania szczelności elewacji należy stosować elastyczne materiały wypełniające szczeliny, odporne na wpływy środowiska zewnętrznego.

Wykonane analizy statyczno-wytrzymałościowe potwierdziły możliwość zastosowania koncepcyjnego rozwiązania bloku Veture jako warstwy dociepleniowej istniejących stref cokołowych elewacji budynku zlokalizowanego na terenie Polski. Aby w pełni potwierdzić możliwość zastosowania takiego rozwiązania, konieczne jest przeprowadzenie szeregu badań doświadczalnych zgodnie z wymaganiami EAD [1] oraz obliczeń z zakresu fizyki cieplnej przegród. Tym niemniej wykonane analizy pokazały szerokie możliwości zastosowań elewacji Veture jako podstawowej warstwy ocieplenia, jak również warstwy wtórnej docieplenia istniejących elewacji ETICS.

Ze względu na łatwość montażu, atrakcyjny wygląd oraz niższą cenę realizacji elewacje Veture mogą stać się konkurencyjnym rozwiązaniem dla elewacji wentylowanych.

Literatura

 1. EAD 040914-00-0404, „Veture kits – Prefabricated units for external wall insulation and their fixing devices”.
 2. O. Kopyłow, „Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlanych”, część B „Roboty wykończeniowe”, zeszyt 16 „Prefabrykowane systemy ociepleń ścian zewnętrznych. Elewacje Veture”, Dział Wydawnictw Naukowych, Warszawa 2020.
 3. PN-EN 1990: 2004, Eurokod 0: „Podstawy projektowania konstrukcji”.
 4. PN-EN 1991-1-1:2004, Eurokod 1: „Oddziaływanie na konstrukcje, część 1-1: oddziaływanie ogólne, ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynku”.
 5. PN-EN 1991-1-4:2008, Eurokod 1: „Oddziaływanie na konstrukcje, część 1-3: oddziaływanie ogólne – oddziaływania wiatru”.
 6. PN-EN 1991-1-5:2005, Eurokod 1: „Oddziaływanie na konstrukcje, część 1-5: oddziaływanie ogólne – oddziaływania termiczne”.
 7. PN-EN 14509:2010, „Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową – Wyroby fabryczne – Specyfikacje”.
 8. K. Kuczyński, „Kolor okładziny a obciążenia termiczne płyt warstwowych”, https://www.izolacje.com.pl/artykul/sciany-
-stropy/161190,kolor-okladziny-a-obciazenia-termiczne-plyt-
-warstwowych [dostęp 12.03.2012.]
 9. https://muratordom.pl/budowa/dach/pianka-poliuretanowa-
-najlepszy-termoizolator- domu-poradnik-aa-JbVS-1ZJ6-NdGQ.html?
fbclid=IwAR2TiKgsQ1e3U9T2l72AR5oKppcZGJre0m6iTrax_
_rXGIt5LgQjx6Pupcr4
10. Poradnik dla projektantów: „Izolacje styropianowe w budownictwie”, Stowarzyszenie Producentów Styropianu, dostępny w internecie: http://ikb.poznan.pl/mariusz.gaczek/poradnik_cz1.pdf

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!